4月16日，Pablo Jarillo-Herrero和我校曹原（10少）校友团队在Science发表了魔角扭曲双层石墨烯（MATBG）的对称性破缺相关研究成果。

此前两周，曹原与团队连续在Nature连续发表2篇文章，至今已共在Nature发表7篇相关论文。傅亮是本文的共同作者。

当一个相关的系统有多个破缺对称的相时，它们之间的关系往往超越单纯的竞争，从而产生交织相位的复杂相位图。交织顺序的一个例子是向列性超导状态，它同时破坏了晶格旋转和规范对称性。在许多非常规超导体中都观察到了这种称为向列性的现象。

最近在二维（2D）石墨烯超晶格中发现的相关绝缘子和超导行为，为研究具有无与伦比的可调性和丰富的相关超导材料带来了可能。这一次，曹原等发现超导性的魔角扭曲双层石墨烯（MATBG）也表现出向列性。通过传输测量过程观察到旋转对称性的破缺，其表现出特征各向异性。

扭曲的2D材料在实际空间中显示出长距离的莫尔图案，可以通过扭曲角度对其进行调整。在第一个魔术角θ≈1.1°附近的MATBG中，层间杂化在低能量时产生几乎平坦的能带。在半填充几乎平坦的能带附近，新兴的绝缘体行为和超导已被证实。

在这篇Science中，曹原研究了MATBG超导相与其他多体相之间的相互作用。与传统材料相比，MATBG的主要优势在于，可以通过静电门控而不是化学掺杂来连续调谐带填充，从而可以在单个设备中访问不同的相。因此，作者在MATBG发现了具有旋转对称性破缺的缠绕相位。利用横向电阻测量，在超导圆顶的欠掺杂区域上方的“楔形区”中发现了一个强各向异性相位。在其超导圆顶相交时，临界温度降低。此外，超导态对方向相关的平面内磁场表现出各向异性的响应，揭示了整个超导圆顶的向列有序。该研究结果表明，向列波动可能在魔角扭曲双层石墨烯的低温阶段起重要作用。

 

图1. 魔角石墨烯器件的表征

 

研究亮点：

1、在魔角石墨烯中发现了具有旋转对称性破缺的缠绕相位。

2、利用横向电阻测量，在超导圆顶的欠掺杂区域上方的“楔形区”中发现了一个强各向异性相位。

3、当它与超导圆顶交叉时，观察到临界温度降低。此外，超导态对方向相关的平面内磁场表现出各向异性的响应，揭示了整个超导圆顶的向列有序。

4、研究结果表明，向列波动可能在魔角扭曲双层石墨烯的低温阶段起重要作用。

魔角扭曲双层石墨烯的两个不同的各向异性状态

研究者在魔角扭曲双层石墨烯的相图中揭示了两个不同的各向异性状态：超导圆顶上方的正常状态楔形特征和向列超导状态。楔形特征与零温绝缘相相关，该相显示出明显的电阻率各向异性，表明破坏了六重晶格旋转对称性。

 

图2. 魔角石墨烯超导圆顶附近的相位

 

各向异性：内在的Vs.外在的

除此之外，该研究中的一个关键的问题是，观察到的各向异性是内在的还是外在的？研究者在同一设备中未观察到多个向列域，表明存在一定程度的残余应变。为了解决这个问题，研究者注意到这种残余应变应该是器件的特性，因此应该在所有温度和掺杂下都存在。相比之下，正常态各向异性的开始被限制在一个狭窄的掺杂范围内，并被限制在10 K以下的温度。后续的向列指向矢连续旋转表明，超导态的各向异性更有可能是固有的，因为外在的起源将导致固定的取向。

图3. 魔角扭曲双层石墨烯器件A的各向异性分析

 

图4. 魔角扭曲双层石墨烯中向列相超导性的证据

 

图5超导临界电流各向异性响应

 

平面内磁场的各向异性响应仅在超导状态下可见，而在楔形状态下则不可见，这表明在正常状态和超导状态下的向列性起源可能不同。

小结

1、在魔角扭曲双层石墨烯的相图中揭示了两个不同的各向异性状态：超导圆顶上方的正常状态楔形特征和向列相超导状态。

2、向列指向矢的连续旋转表明，超导态的各向异性更有可能是固有的，因为外在的起源将导致固定的取向。

3、各向异性的另一个可能来源是器件上的扭曲角变化，在设备上看不到不同的向列域，这表明整体残余应变可能在扭转角波动引起的局部应变上占主导地位。

 

图6. 各阶段的总结

 

参考文献：Yuan Cao*, Pablo Jarillo-Herrero1,* et al.Nematicity and competing orders in superconducting magic-angle graphene.Science 16 Apr 2021DOI:10.1126/science.abc2836https://science.sciencemag.org/content/372/6539/264

曹原（10少）

曹原（10少），2010年考入中国科学技术大学少年班，并入选“严济慈物理英才班”。在校期间曾获得郭沫若奖学金。2018年3月5日，《自然》背靠背发表了两篇以曹原为第一作者的石墨烯重磅论文。这名中国科大少年班的毕业生、美国麻省理工学院的博士生发现当两层平行石墨烯堆成约1.1°的微妙角度，就会产生神奇的超导效应。这一发现轰动国际学界，直接开辟了凝聚态物理的一块新领域。并于当年荣登《自然》杂志影响世界的十大科学人物榜首。2018年，曹原以22岁的年龄入选了福布斯中国发布的2018年中国“30位30岁以下精英”科技领域榜单，成为了入选者年龄最小的一位。

傅亮（00少）

傅亮（00少），1985年出生于江苏，2004年本科毕业于中国科学技术大学少年班，2009年获宾夕法尼亚大学物理学博士学位，后在哈佛大学从事研究工作，2012年1月加入麻省理工学院，现在是MIT最年轻的华裔终身教授。傅亮的主要研究领域为凝聚态物质量子理论。2014获得赛克勒国际生物物理学奖、Packard科学工程奖，2016年科学突破奖。